Departamento de Matemática e Ciências

Departamento de Matemática e Ciências Experimentais
Física e Química A - 11.º Ano
Actividade Prático-Laboratorial – AL 2.1 Física
Assunto: Osciloscópio
Questão-problema
Perante o aumento da criminalidade tem-se especulado sobre a possibilidade de formas de
identificação alternativas à impressão digital. Uma dessas formas poderia ser pela voz. Utilizando um
osciloscópio, propor um método que permita concretizar a identificação individual desse modo.
Objetivos
- Familiarizar os alunos com o osciloscópio, realizando algumas medições com ele, e obter uma
resposta à questão problema.
Questões pré-laboratoriais
Um osciloscópio é um aparelho que mostra sinais elétricos num ecrã. Um feixe de eletrões é emitido
por um filamento aquecido dentro de um tubo sem ar e bate no ecrã, produzindo aí uma cintilação. A
amplitude e o período de um sinal podem medir-se diretamente no ecrã do osciloscópio. A amplitude
indica a tensão (diferença de potencial, d.d.p.) do sinal elétrico recolhido, pelo que o osciloscópio pode
ser utilizado como voltímetro. É possível observar-se simultaneamente dois sinais que entram por canais
diferentes, e compararem-se amplitudes e períodos.
O osciloscópio mede tensões em circuitos com correntes contínuas (sigla DC, do inglês direct
current), ou tensões variáveis no tempo como nos circuitos com corrente alternada (sigla AC, do inglês
alternating current) usada em nossas casas.
Figura 1
1
1. Uma fonte de tensão é ligada a um canal do osciloscópio. Devido à tensão aplicada, o feixe de
eletrões do osciloscópio é puxado para cima ou para baixo. Maior afastamento em relação à linha inicial
significa uma maior tensão aplicada.
A escala da tensão é controlada por um botão com a indicação VOLT / DIV, que indica o valor da
tensão correspondente à maior divisão da escala vertical do ecrã.
Por exemplo, se o botão se encontrar em 10 mV e a deflexão vertical for de 4.2 divisões, a tensão
será:
tensão = número de divisões na escala vertical x tensão / divisão
tensão = 4.2 x 10 mV = 42 mV
Note que, para se medir uma tensão, a ligação entre a fonte de tensão e o osciloscópio tem de ser
feita em paralelo.
Explique porquê?
2. Ligou-se uma fonte de tensão contínua (que produz corrente contínua) ao osciloscópio. A «linha
de base», que estava centrada no ecrã, deu um «salto», vertical, correspondente a 2.5 divisões,
utilizando a escala 2 V / divisão.
Qual é a tensão fornecida pela fonte?
3. Em seguida fez-se o mesmo tipo de ligação mas a uma fonte de tensão alternada (que produz
uma corrente alternada), observando-se um sinal sinusoidal.
A tensão é variável no tempo e dada por V = Vmáx sin(t), onde Vmáx é a amplitude da onda observada
no ecrã.
Fez-se a medição da distância pico a pico, isto é, do máximo ao mínimo, para minimizar erros
experimentais, figura 2 e obteve-se 4.6 divisões para uma escala de 5 mV / divisão, Vmáx 
V pp
2
.
Figura 2
Qual é o valor de Vmáx?
2
4. Ao associar em paralelo a fonte de tensão alternada anterior a um voltímetro, verifica-se que o
valor registado no voltímetro não coincide com o valor lido no osciloscópio, Vmáx, mas é inferior. A tensão
medida no voltímetro é denominada tensão eficaz.
A tensão eficaz, Vef do voltímetro, relaciona-se com a tensão máxima, Vmáx do osciloscópio, através
da expressão Vef 
Vmáx
.
2
Qual seria o valor lido num voltímetro que medisse a tensão fornecida pela fonte de tensão
alternada da alínea anterior?
A expressão V = Vrnáx sin (t) caracteriza o sinal sinusoidal observado no ecrã do osciloscópio. Como
determinar a frequência? Após estabilizar um sinal no ecrã, podemos medir um intervalo de tempo a
partir da escala horizontal e do botão BASE DE TEMPO do osciloscópio (TIME / DIV), que indica o tempo
que o feixe de eletrões demora a percorrer a maior divisão da escala horizontal (pode ser expresso em s,
ms ou s). O tempo mede-se da seguinte forma:
tempo = número de divisões na escala horizontal x tempo / divisão.
Por exemplo, se dois ciclos completos da onda corresponderem 5 divisões na escala horizontal e se
a base desse tempo indicar 2 ms / div, o tempo é 5 x 2 ms = 10 ms. Este é o tempo de dois ciclos
completos, isto é, dois períodos. Logo, T = 5 ms e f = 200 Hz.
Considere um sinal, figura 3, onde um ciclo corresponde a 1.6 divisões e a base de tempo indica
20 s/div.
Figura 3
Tenha em conta os pontos 3 e 4 anteriores.
Qual é o período e a frequência do sinal? Escreva a expressão V = Vmáx sin (t) para este sinal,
substituindo os valores da amplitude e da frequência angular.
Comandos Fundamentais do Osciloscópio
O painel frontal de um osciloscópio típico (Figura 4) engloba o ecrã (assinalado a vermelho) e um
conjunto de comandos divididos em grupos, organizados segundo a sua funcionalidade. Existe um grupo
de comandos para o controlo do eixo dos YY (amplitude do sinal, a verde), outro para o controlo do eixo
dos XX (tempo, a castanho) e outro ainda para controlar os parâmetros do ecrã (indicados a azul). Existe
também um conjunto de terminais de entrada e saída de sinais (amarelo).
3
Estes grupos de comandos existem para permitir a visualização e análise de sinais de características
diversas, nomeadamente com uma gama significativa de amplitudes e frequências.
Figura 4
Comandos do ecrã
Comandos do Sistema Horizontal (base de tempo)
TIME/DIV
Ajuste discreto (e calibrado) da
velocidade de varrimento.
POWER
Interruptor de ligar / desligar.
INTENSITY
Intensidade do traço.
FOCUS
Focagem do feixe.
POSITION
TRACE ROTATION
Rotação do traço.
(rodar botão)
SWP VAR
Ajuste contínuo (descalibrado) da
velocidade de varrimento.
Desloca o sinal na horizontal.
PULL X10 MAG Multiplicador horizontal de 10 vezes
(puxar botão)
Comandos/entradas do sistema vertical (CH1 e CH2)
x10.
Comandos/entradas do sistema de sincronismo
(trigger)
TRIG IN
Terminal de ligação de uma fonte de
sincronismo externa.
INPUT
Terminal de ligação do sinal.
AC/GND/DC
Acoplamento de entrada.
VOLTS/DIV
Ganho vertical (ajuste discreto)
POSITION
Posicionamento vertical
(PULL INVERT)
(inversão da polaridade – só
SOURCE
LINE, EXT).
INT TRIG
Fonte de sincronismo interna (CH1,
CH2, VERT MODE).
MODE
CH2).
MODE
Fonte do sistema de sincronismo (INT,
Sistema de sincronismo (AUTO, NORM,
TV-V, TV-H).
Modo de visualização (CH1,
LEVEL
CH2, ALT, CHOP, ADD).
(rodar botão)
Nível de Trigger.
PULL ( - ) SLOPE Inclinação de Trigger.
(puxar botão)
4
Trabalho Laboratorial
Material e equipamento
 Osciloscópio
 Fonte de tensão contínua
 Fonte de tensão alternada
 Multímetro
 Microfone
 Fios de ligação
 Ponta de prova
1a Parte – Pré-ajuste dos comandos
Pré-ajuste dos comandos do ecrã
POWER = ON
INTENSITY = Meio da escala
FOCUS = Meio da escala
Pré-ajuste dos comandos do sistema horizontal
TIME/DIV = Meio da escala
SWP/VAR = Desligado
Posição de "calibrado"
POSITION = Meio da escala
Pré-ajuste dos comandos do sistema vertical
MODE = CH1
Modo de visualização
AC-GND-DC = GND
Para ajustar a posição do traço
POSITION = Meio do ecrã
AC-GND-DC = DC
Para visualizar o sinal sem filtragem da componente DC
VAR/PULL x5 GAIN = Desligado Posição de "calibrado"
VOLTS/DIV = Meio da escala
Pré-ajuste dos comandos do sistema de sincronismo
MODE = AUTO
SOURCE = INT
LEVEL = Meio da escala
INT TRIG = CH1
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2ª Parte – Medição de tensões contínuas
1. Medição da tensão aos terminais da fonte de alimentação
1.1. Regule o botão do multímetro para que funcione como voltímetro.
1.2. Coloque o multímetro em DC.
1.3. Ligue a fonte de alimentação e regule a tensão para 10 V.
1.4. Ligue o multímetro, em paralelo, à fonte de alimentação em DC.
1.5. Verifique se a tensão lida no multímetro é a mesma que a da fonte de alimentação.
1.6. Registe o valor lido pelo voltímetro.
1.7. Desligue o voltímetro e retire-o da fonte de alimentação.
Quadro 1 – medição da tensão no voltímetro
Vef / V
Ensaio
Vef / V
1
2
3
2. Medição da tensão no osciloscópio
2.1. Verifique se o sinal (linha de base) se encontra em cima da linha horizontal da escala.
2.2. Ligue a ficha BNC da ponta de prova ao CH1 do osciloscópio.
2.3. Verifique o fator de amplificação da ponta de prova (X10 ou X1).
2.4. Ligue a ponta de prova à fonte de alimentação.
2.5. Coloque o comando AC-GND-DC em DC.
2.6. Se necessário ajuste o botão VOLT / DIV na escala vertical para maior facilidade de leitura.
2.7. Verifique o "salto" do sinal.
2.8. Meça no eixo vertical do ecrã a diferença de potencial e registe esse valor.
2.9. Compare a diferença de potencial lida no osciloscópio com a do voltímetro.
Quadro 2 – medição da tensão no osciloscópio
Ensaio
Vmáx / V
Vmáx / V
Vef / V
1
2
3
6
3ª Parte – Medição de tensões alternadas
1. Medição da tensão aos terminais da fonte de alimentação
1.1. Regule o botão do multímetro para que funcione como voltímetro.
1.2. Coloque o multímetro em AC.
1.3. Ligue a fonte de alimentação e regule a tensão para 10 V.
1.4. Ligue o multímetro, em paralelo, à fonte de alimentação em AC.
1.5. Verifique se a tensão lida no multímetro é a mesma que a da fonte de alimentação.
1.6. Registe o valor lido pelo voltímetro.
1.7. Desligue o voltímetro e retire-o da fonte de alimentação.
Quadro 3 – medição da tensão no voltímetro
Vef / V
Ensaio
Vef / V
1
2
3
2. Medição da tensão no osciloscópio
2.1. Pré-ajuste os comandos.
2.2. Ligue a entrada BNC da ponta de prova ao CH1 do osciloscópio.
2.3. Coloque o fator de amplificação da ponta de prova em X1 ou X10.
2.4. Ligue a ponta de prova à fonte de alimentação em AC.
2.5. Coloque o comando AC-GND-DC em AC.
2.6. Posicione o sinal na escala de modo a facilitar a leitura.
2.7. Meça a tensão pico a pico (Vpp) e registe esse valor.
2.8. Calcule o valor da tensão eficaz.
2.9. Compare o valor da tensão eficaz com o valor lido no multímetro em 1.
2.10. Meça o período do sinal e registe esse valor.
2.11. Escreva a expressão V = Vmáx sin ( t) para este sinal.
Quadro 4 – medição da tensão no osciloscópio
Ensaio
Vpp / V
V pp / V
Vmáx / V
Vef / V
T/s
T /s
1
2
3
V = ________________________
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4ª Parte – Registo de voz e som do diapasão
1. Ligue um microfone ao CH1 do osciloscópio.
2. Utilizando a voz, emita um som correspondente a uma das letras (a, e, i, o, u) e o nome de um
elemento do grupo. Todos os elementos do grupo devem emitir as mesmas letras e o mesmo nome.
3. Utilize um diapasão e registe o sinal emitido por ele.
4. Registe as suas observações.
Registo de Observações
NOME: __________________________________
SOM 1: __________________________________
SOM 2: _________________________________
SOM 3 (Diapasão): __________________________________
Pós-Laboratório
A partir das conclusões que retirou das observações efetuadas, discuta em grupo uma forma de
identificação, em alternativa à impressão digital, de modo a dar resposta à questão problema.
Prof. Luís Perna
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